Lithium-ionbatterijen worden gebruikt om een ​​breed scala aan elektronische apparaten van stroom te voorzien, inclusief computers, camera's, digitale audiospelers en rekenmachines. Er zijn enorme inspanningen geleverd voor de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen, vooral bij het verbeteren van de efficiëntie en integriteit van de batterij-elektroden. Dit komt omdat tijdens de ontlaad- en laadprocessen, lithiumionen worden herhaaldelijk opgenomen in en geëxtraheerd uit de elektroden door vorming van een legering of chemische omzetting. Van deze terugkerende gebeurtenissen is bekend dat ze de progressieve degradatie van de elektroden veroorzaken, batterijprestaties onherstelbaar beschadigen.

Yu Wang van het A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences en collega's hebben nu een elegante strategie gedemonstreerd om het degradatieprobleem te verminderen en het capaciteitsbehoud van lithium-ionbatterijen gedurende vele laad-ontlaadcycli te vergroten. De strategie omvat het gebruik van een composietmateriaal met een erwtstructuur bestaande uit kobaltoxide (Co ₃ O ₄ ) nanodeeltjes ingebed in koolstofvezels (zie afbeelding).

Kobaltoxide is een veelbelovend materiaal voor anodes in lithium-ionbatterijen omdat het vermogen om ionen vast te houden groter is dan dat van conventionele elektrodematerialen, zoals tin. In aanvulling, Co ₃ O ₄ kan eenvoudig worden omgezet naar LiCoO ₂ , dat is het materiaal dat momenteel wordt gebruikt in commerciële kathoden. De onderzoekers maakten de peapod-structuren door kobaltcarbonaathydroxide nanobelts bedekt met lagen gepolymeriseerde glucose in een inerte atmosfeer op 700 C en vervolgens in lucht op 250 ºC te verwarmen. Elektroden gebouwd met behulp van de peapod-composiet hadden een verbeterde lithiumopslag en capaciteitsbehoud - wat 91% van de totale mogelijke capaciteit leverde na 50 laad-ontlaadcycli.

“De Co ₃ O ₄ nanodeeltjes fungeren als actieve materialen om lithiumionen op te slaan en de holle koolstofvezels beschermen en voorkomen dat de Co3O4-nanodeeltjes aggregeren en instorten, ', zegt Wang. De koolstofvezels spelen ook de rol van geleidende elektronen uit de nanodeeltjes.

Volgens Wang, afgezien van de veelbelovende toepassing in lithium-ionbatterijen, de fabricage van de peapod-composiet is een prestatie op zich, omdat het de eerste keer is dat dergelijke geïsoleerde magnetische nanodeeltjes ingebed in holle vezels zijn geproduceerd. Scanning-elektronenmicroscopie onthulde dat de peapod-composiet een uniforme morfologie vertoont, met pod-lengtes tot enkele micrometers en pod-diameters van slechts 50 nanometer. De onderzoekers zijn van mening dat hun methode kan worden uitgebreid om ingekapselde nanodeeltjes te genereren met behulp van een breed scala aan materialen met toepassingen die verder gaan dan lithium-ionbatterijen, bijvoorbeeld, in gentechnologie, katalyse, gasdetectie en de fabricage van condensatoren en magneten.